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在西藏阿里觀測站，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星過境，科研人員在做實驗（合成照片）。 新華社發(fā)
當(dāng)量子力學(xué)遇上廣義相對論，會擦出怎樣的火花？近日，多國科研人員合作利用我國“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，對一類預(yù)言引力場導(dǎo)致量子退相干的理論模型開展了實驗檢驗。這是國際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場中對嘗試結(jié)合量子力學(xué)與廣義相對論的理論開展實驗檢驗，將極大推動相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實驗研究。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事聯(lián)合美國加州理工學(xué)院、澳大利亞昆士蘭大學(xué)等單位的科研工作人員，首次利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星對一類預(yù)言引力場導(dǎo)致量子退相干的理論模型開展了實驗檢驗。研究成果于近日發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志。
“‘墨子號’的先進技術(shù)，促成了人類歷史上第一次成功利用量子光學(xué)實驗方式完成了量子理論和廣義相對論之間的基礎(chǔ)理論驗證，將極大推動相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實驗研究。”潘建偉表示。
物理學(xué)家的“終極夢想”
描述微觀世界的量子力學(xué)和闡釋引力場的廣義相對論，是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，它們在各自領(lǐng)域取得了巨大成功。然而，這兩大理論似乎天生是對“冤家”，無論科學(xué)家們?nèi)绾闻κ蛊淙跁炌?，始終不能“友好和平共處”：很多在廣義相對論框架下適用的物理規(guī)則，在量子領(lǐng)域就不再適用。
廣義相對論和量子力學(xué)能否合二為一？一些試圖將其融合的理論模型陸續(xù)誕生，但都缺乏實驗檢驗，無法驗證，進而阻礙了科學(xué)的發(fā)展。造成這一結(jié)果的主要原因是這些理論模型的預(yù)言都只能在極端實驗條件下檢驗。
條件苛刻到何種程度？論文聯(lián)合作者、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱舉了兩個例子：極小空間尺度10-35米，這比電子半徑還小了20個數(shù)量級；或者是極高能標(biāo)1019GeV（GeV為十億電子伏特），而當(dāng)前能標(biāo)最高的大型強子對撞機，如LHC也只能將質(zhì)子的能量提升至104GeV量級。
“這些都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前可以達(dá)到的實驗條件，即便是在未來幾十年，科學(xué)家們也沒有找到更好的方法可以達(dá)到或接近這些條件。”陳宇翱稱。
困難阻擋不住科學(xué)家們探索宇宙的決心。人們已經(jīng)認(rèn)識到，物質(zhì)世界千變?nèi)f化的現(xiàn)象，歸根結(jié)底是通過目前已知的4種基本相互作用產(chǎn)生的：電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用和引力相互作用。其中，前3種力都可以在量子力學(xué)的框架下得到解釋，唯獨引力運用量子力學(xué)無法解釋。
“解決或?qū)τ谶@一問題的正確理解，將有助于建立關(guān)于4種基本相互作用的大統(tǒng)一理論。”潘建偉說。而這也是物理學(xué)界包括愛因斯坦在內(nèi)眾多科學(xué)家的“終極夢想”：建立一個“萬有理論”，試圖統(tǒng)一所有尺度的物理理論。
“墨子號”大展拳腳
向著科學(xué)的高峰努力奔跑，近年來，理論物理學(xué)家嘗試提出新的理論，在某個層面上將廣義相對論和量子力學(xué)放入一個統(tǒng)一的理論框架中，并探討了一些在目前實際條件下可能進行實驗驗證的新機制。其中，澳大利亞物理學(xué)家拉夫提出的“事件形式”理論模型備受關(guān)注。
根據(jù)“事件形式”理論模型，量子態(tài)在奇異時空和平直時空中的演化是不同的，并預(yù)言地星（地球、衛(wèi)星）之間分發(fā)的糾纏光子對會發(fā)生退相干現(xiàn)象，即引力可能導(dǎo)致量子退相干效應(yīng)。
“換句話說，假設(shè)在地球表面制備了一對糾纏光子對，其中一個光子穿過局域平直時空，在光源附近的地表傳播；而另一個光子穿過地球引力場形成的彎曲時空，傳播到衛(wèi)星。”陳宇翱說，依據(jù)現(xiàn)有的量子力學(xué)理論，所有糾纏光子對將保持糾纏特性；而依據(jù)事件形式理論，糾纏光子對之間的關(guān)聯(lián)性則會概率性受到損失（量子退相干效應(yīng)）。
什么是量子？它是能表現(xiàn)出某個物質(zhì)或物理量特性的最小單元，例如“光的量子”，也被稱為光子，指的是一定頻率的光的基本能量單位。而量子糾纏指的是兩個（或多個）粒子共同組成的量子狀態(tài)，科學(xué)家們認(rèn)為無論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測量其中一個粒子必然會影響其他粒子，這種像“心靈感應(yīng)”的神奇現(xiàn)象就是量子力學(xué)理論中的“量子糾纏現(xiàn)象”。
正所謂“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”?？茖W(xué)的探索亦是如此。2016年8月16日，我國發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，此后又成功完成千公里級地星雙向量子糾纏分發(fā)。量子科學(xué)實驗衛(wèi)星正是檢驗“事件形式”理論的理想平臺。
就這樣，以潘建偉為代表的中國科學(xué)家和拉夫一起，利用我國已經(jīng)在軌的“墨子號”量子科學(xué)衛(wèi)星，共同設(shè)計了一個實驗方案，并于最近完成了實驗。“這是國際上首次在太空中利用衛(wèi)星開展的關(guān)于量子力學(xué)和廣義相對論關(guān)系的實驗研究，具有指標(biāo)性、引領(lǐng)性意義，將極大推動相關(guān)的理論和實驗研究活動。”潘建偉稱。
“事件形式”理論模型被排除
實驗結(jié)果如何？潘建偉說：“如果我們確實觀察到了這種偏差，即量子退相干效應(yīng)，那就意味著‘事件形式’理論是正確的，我們必須對量子理論和廣義相對論之間的相互作用進行實質(zhì)性修正。”
不過，科學(xué)研究的一個美妙之處在于“意想不到”。“我們的實驗結(jié)果排除了這一理論模型，結(jié)果令人信服。”陳宇翱告訴記者，本次實驗排除了“事件形式”理論所預(yù)言的引力導(dǎo)致糾纏退相干現(xiàn)象，將極大推動相關(guān)基礎(chǔ)理論和實驗研究。
不僅如此，在實驗觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們還對之前的理論模型進行了修正和完善。修正后的理論表明，在“墨子號”現(xiàn)有500公里軌道高度下，量子糾纏退相干現(xiàn)象將表現(xiàn)得比較微弱。“實驗結(jié)果排除了‘事件形式’較強的模型，結(jié)果令人信服，但修正后的理論模型是否正確仍有待檢驗。”潘建偉表示。
求索永無止境。為了進一步驗證修正版的理論模型，需要在更高軌道的實驗平臺開展研究。未來，潘建偉和他的團隊將發(fā)射一顆新的衛(wèi)星，預(yù)計它的軌道將比“墨子號”高20到60倍，其中一項科學(xué)實驗任務(wù)就是能夠在理論預(yù)言更強的糾纏退相干范圍內(nèi)進行檢驗。
經(jīng)濟日報
